나노기술 및 정책 정보

• 목록

한국해양대학교는 강준 기관공학부 교수 연구팀(김한빈 박사 과정생, 김대영 석사 과정생)이 '황이 도핑 된 3차원 구조의 포도송이 탄소 구조체'를 개발해 '초고성능 나트륨 이온전지 음극소재' 개발에 성공했다고 11일 밝혔음.

나트륨 이온전지는 최근 수요와 가격이 급등 중인 리튬이온전지를 대체하기 위해 활발하게 연구되고 있는 차세대 에너지저장장치 중에서 저가로 주목받는 장치임.

나트륨은 지구상에서 네 번째로 많은 매장량이 보고되고 있으며, 미국에서만 나트륨전구체가 230억톤이 매장돼 있어 리튬의 1/30에 해당하는 가격이 형성돼 있음.

하지만 나트륨은 리튬보다 원자크기가 크고 무거워 리튬이온전지에 사용되는 흑연을 그대로 적용하면 배터리 사용시간이 리튬이온전지의 1/10로 크게 감소하게 됨.

이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 재료가 연구되고 있지만 출력특성이나 수명특성에서 만족되지 못하고 있음. 특히 그래핀과 같은 고가의 소재를 사용함으로써 상용화에도 어려움이 있는 실정임.

강준 교수 연구팀은 황이 포함된 3D구조의 포도송이 탄소 구조체를 합성함으로써 이러한 문제를 극복했음. 개발된 소재는 포도송이 구조를 갖고 있으며, 이 구조는 전해질 속의 나트륨 이온이 재료 내부로 쉽게 들어올 수 있도록 넓은 표면적을 제공해주는 역할을 하게 됨.

또 포도알처럼 직경이 작은 탄소볼은 재료 내부로 들어온 나트륨의 확산 거리를 짧게 만들어 나트륨의 재료 내 확산을 돕게 됨. 이러한 두 효과에 의해 매우 높은 충방전 전류에서도 매우 오랜 배터리 사용시간을 확보하게 되었음.

리튬이온전지의 경우 10 A/g의 전류만 걸려도 가역용량이 10 mAh/g으로 크게 하락하는 반면, 강준 교수 연구팀의 나트륨 이온전지용 소재는 이보다 30배 높은 300 mAh/g을 보여줬음.

특히 100 A/g의 초 고전류에서도 100 mAh/g 이상의 매우 높은 가역용량을 보여주기도 했음. 그밖에 3000 싸이클 이상의 슈퍼사이클 안정성을 나타냈으며, 첫 사이클 쿨롱효율도 75% 이상을 보임으로써 상용화 조건도 만족할 수 있게 됐음.

본 연구 성과는 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 지의 표지논문으로 게재됨.